Studie und Kontrolle von intermodalen Energietransfer in hoch-Leistung Faserlasersysteme

• Antragsteller: Cesar Jauregui Misas, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 416342891

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Trotz der Schwierigkeiten, die die Pandemie für den Ablauf dieses Projektes bereitet hat, haben wir geschafft fast alle Projektziele zu erreichen. Wir haben verschiedene Charakterisierungstechniken für dynamische Wechselwirkungen von Transversalmoden entwickelt. Zum Beispiel haben wir mit Hilfe eines Modenmultiplexers die Zerlegung eines optischen Strahls in seine Moden in Echtzeit demonstriert. Für ein ähnliches Ziel haben wir eine 4-Quadranten-Photodiode verwendet um transversale Modeninstabilitäten (TMI) zu charakterisieren. Das erzielte Resultat war dabei so überzeugend, dass dies unsere bevorzugte Charakterisierungsmethode für diesen Effekt geworden ist. Schlussendlich haben wir eine neuartige, auf künstlicher Intelligenz basierende Methode entwickelt, um die geführten Moden in einer optischen Faser zu messen. In Rahmen dieses Projektes haben wir auch die über viele Jahre diskutierte Frage klären können, worin der treibende Effekt von TMI besteht. Wir konnten zeigen, dass TMI hauptsachlich vom Pumprauschen getrieben wird. Zudem ist es uns auch gelungen die Kontrolle über die Richtung des modalen Energietransfers in einem Hochleistungsfaserlaser zu demonstrieren. Dabei ist bemerkenswert, dass wir fundamentalen Modenbetrieb bei einer Leistung von 60% über der TMI-Schwelle zeigen konnten. Die restliche Zeit im Projekt haben wir verwendet, um ein System zu entwickeln, welches laufende Wellen in optischen Fasern anregen kann. Dies sollte die ultimative Kontrolle über die Richtung des modalen Energietransfers erlauben. Alle Aktivitäten in diesem Projekt waren erfolgreich und haben 13 Veröffentlichungen generiert.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Intensity noise as a driver for transverse mode instability in fiber amplifiers. PhotoniX, 1(1).
  Stihler, Christoph; Jauregui, Cesar; Kholaif, Sobhy E. & Limpert, Jens
  
• Transverse mode instability. Advances in Optics and Photonics, 12(2), 429.
  Jauregui, Cesar; Stihler, Christoph & Limpert, Jens
  
• Characterization of transverse mode instability in fiber-laser systems using a position-sensitive detector. Fiber Lasers XVIII: Technology and Systems, 34. SPIE.
  Kholaif, Sobhy E.; Tu, Yiming; Stihler, Christoph; Jauregui, Cesar & Limpert, Jens
  
• Control and stabilization of the modal content of fiber amplifiers using traveling waves. Optics Express, 29(21), 34452.
  Jauregui, Cesar; Stihler, Christoph; Kholaif, Sobhy; Tu, Yiming & Limpert, Jens
  
• Mitigation of transverse mode instability through a dynamic modification of the inversion in high-power fiber amplifiers. Fiber Lasers XVIII: Technology and Systems, 28. SPIE.
  Stihler, Christoph; Jauregui, Cesar; Kholaif, Sobhy E.; Tu, Yiming & Limpert, Jens
  
• Transverse mode instability and thermal effects in thulium-doped fiber amplifiers under high thermal loads. Optics Express, 29(10), 14963.
  Gaida, Christian; Gebhardt, Martin; Heuermann, Tobias; Wang, Ziyao; Jauregui, Cesar & Limpert, Jens
  
• Mitigation of transverse mode instability by heat load modulation in high-power fiber laser amplifiers. Fiber Lasers XIX: Technology and Systems, 57. SPIE.
  Kholaif, Sobhy E.; Jáuregui-Misas, César; Tu, Yiming & Limpert, Jens
  
• Real-time modal decomposition of fiber laser beams using a spatial mode multiplexer. Fiber Lasers XIX: Technology and Systems, 59. SPIE.
  Tu, Yiming; Jáuregui-Misas, César; Kholaif, Sobhy E. & Limpert, Jens
  
• Characterization of transverse mode instability with a 4-quadrant photodiode. Optics Express, 31(6), 10633.
  Kholaif, Sobhy; Jauregui, Cesar; Tu, Yiming & Limpert, Jens
  
• Characterizing the transverse modes of optical fibers by singular value decomposition. Fiber Lasers XX: Technology and Systems, 27. SPIE.
  Tu, Yiming; Pfleghar, Christian; Jauregui, Cesar & Limpert, Jens
  
• Fiber-Modes Characterization Using Singular Value Decomposition. 2023 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe & European Quantum Electronics Conference (CLEO/Europe-EQEC), 1-1. IEEE.
  Tu, Yiming; Pfleghar, Christian; Jauregui, Cesar & Limpert, Jens
  
• Mitigation of transverse mode instability by heat-load modulation. Optics Express, 31(16), 26496.
  Kholaif, Sobhy; Jauregui, Cesar & Limpert, Jens
  
• Investigation of transverse mode instability threshold on the modal contents of the seed light in fiber amplifiers. Fiber Lasers XXI: Technology and Systems, 3. SPIE.
  Tu, Yiming; Jáuregui-Misas, César & Limpert, Jens